本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
今天我在Slate的食品版块发表了一篇文章，内容是关于物理学如何解释正确敲鸡蛋的方法。是的，你没听错：食品版块里有物理学，这本来就应该如此，因为物理学无处不在，各位，而且Slate的人完全明白这一点。当然，有很多东西没有进入最终的故事，但这就是博客的目的，对吧？除了通常的删减内容之外，我还认为这次让读者了解一下我的写作过程可能会很有趣且具有启发意义。
1. 想法：什么引起了我的兴趣？ 这总是带有一点偶然性。我定期收到美国物理学会的提示表，提醒我注意即将发表的精彩论文，但哪些论文吸引哪些作者是很主观的。我特别喜欢与现实世界或流行文化相关的古怪主题，如果是材料物理学，那就更好了，因为我非常崇尚“物质女孩”（Material Girl）（商标）。 在这种情况下，我看到有一篇关于蛋壳几何形状及其与刚度（与强度不同的机械特性，正如Slate的文章所阐明的那样）之间关系的论文。
这是麻省理工学院机械工程师佩德罗·雷斯实验室的最新研究成果，他的团队研究过诸如猫如何舔水、从石蜡到钢铁等各种材料的划痕和断裂，以及（我最喜欢的）卷发的物理学等有趣的主题。 因此，雷斯和他的合著者阿诺·拉扎勒斯最终研究蛋壳也就不足为奇了——或者更准确地说，是卵形薄壳，这是基于今年春天对一种名为“巴克球”的研究。
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本质上，麻省理工学院的模型让科学家们能够通过对蛋壳施加力并测量其响应变形程度（或小到什么程度）来预测蛋壳的厚度。如果知道蛋壳的厚度和材料特性，它还可以预测内部压力。
2. 推介： 让我们面对现实：物理学在任何时候都很难推销。 如何为非物理学受众量身定制这篇数学密集型的文章？ 偶然性！ 时间领主和我刚刚参加了日落大道安达仕酒店的调酒课，该酒店以前被称为“暴动凯悦”，因为它有着丰富多彩的摇滚传奇。 我们被指导如何调制威士忌酸酒。 配方需要蛋白； 当不同的参与者试图敲开鸡蛋并将蛋白与蛋黄分离时，出现了一些失误。 整个经历让我想起了奥黛丽·赫本在原版《萨布丽娜》中的场景，她在巴黎烹饪课上努力学习如何正确敲鸡蛋。
所以当我看到关于蛋壳物理学的论文时，我将其与电影和调酒课联系起来，一个故事开始在我脑海中成形。 它具备所有基本要素：
* 在日常生活中可以找到具体的事物来构建抽象的物理学；
* 一个有趣的流行文化联系，带有一个经典的电影片段； 以及
* 一个新闻点，以一篇即将发表在物理评论快报上的新论文的形式——实际上是两篇论文，因为另一组科学家从互补的角度独立得出了类似的结论。
3. 前期准备。 这些因素加在一起，让我足以成功地向Slate推介这个故事。 于是开始了研究故事和进行采访的任务。 这是我最喜欢的过程部分，因为它非常不可预测。 当这个阶段需要你查阅 1970 年代《英国家禽科学》和《纺织研究杂志》上的论文时，你就知道你找到了一个古怪的主题。
事实证明，从科学的角度来看，蛋壳是非常迷人的物体：可以看作是生物陶瓷。 例如，通常的做法是将鸡蛋放在两个平行的钢板之间压缩，以测量蛋壳的刚度和强度。 一项比利时研究得出结论，这种方法“繁琐且所需设备昂贵”，因此选择创建基于质量-弹簧模型的计算机模拟，以研究蛋壳中相同的特性，尽管是简化的单层版本。 （蛋壳是相当复杂的结构。）其他研究小组已经使用声学方法来研究蛋壳的机械性能。
我发现了一份由肯纳姆·迪格比爵士撰写的巧妙的 17 世纪食谱，详细介绍了一种中国式泡茶方法：“取两个新产鸡蛋的蛋黄，用尽可能多的细砂糖充分搅拌……” 其想法是将茶倒在这种混合物之上，作为一种治疗消化系统疾病的热托迪酒。 （迪格比时代的许多英国人都很肥胖，并患有痛风和肾结石。 这可能是因为蛋糕食谱需要 30 个鸡蛋、15 个蛋白，并混合大量奶油和黄油。） 但迪格比也对受精卵的各个发育阶段很着迷：“你可以放一些鸡蛋孵化； 如果你愿意，通过在不同年龄段打破它们，你可以清楚地观察到它们每小时的变化。”
我还了解了科伦丁·克弗兰，一位提倡“生物嬗变”（实际上，这是一种很大程度上已被否定想法）的法国科学家，他最初对这个话题产生兴趣是因为他对蛋壳形成的谜团着迷。 如果他没有在 1983 年去世，克弗兰本可以对华威大学和谢菲尔德大学的科学家在 2010 年关于蛋壳形成的元动力学方面的工作感到欣慰。 他们通过计算机模拟演示了构成蛋壳主体的碳酸钙如何从非晶态转变为方解石晶体。 （关键似乎是一种叫做卵壳蛋白-17 的蛋白质。）
2007 年，俄亥俄州立大学的工程师找到了使用粉碎的蛋壳制造氢燃料的方法，今年早些时候，科学家们制定了一项计划，将蛋壳回收制成塑料。 最棒的是，我通过 Skype 与一位名叫米歇尔·奥延的剑桥生物工程师进行了交谈，她一直在从事一个跨学科项目，旨在表征蛋壳的精细结构和相关的材料特性。
蛋壳主要是在蛋白质基质中的方解石晶体，尽管即使是矿物部分也掺杂了有机物。 这是一种非常巧妙的设计：足够坚硬以抵抗破裂，但又足够易碎，以便雏鸡在成熟后孵化出来。 根据奥延和她的同事的说法，“这些材料抗断裂的关键在于蛋白质和矿物质这两种不同的材料在最小长度尺度上组织的方式。”
哦，当然，还有物理课上经典的鸡蛋坠落实验，要求学生为生鸡蛋设计完美的“包装”，使其能够从校园建筑的屋顶坠落中幸存下来。 雷斯说，他和拉扎勒斯受到了另一个流行的演示的启发：如履薄冰。
4. 删减内容。 写作一篇文章最难的部分是删去大量有趣的细节，以便使文章保持重点突出——也就是所谓的“忍痛割爱”。 这是过程的重要组成部分。 在许多省略的细节中：雷斯和拉扎勒斯如何通过实验测试他们的模型。 真实蛋壳的自然变异性太大； 雷斯和拉扎勒斯需要对其模型进行更严格的实验控制。
因此，他们使用快速原型制作技术和 3D 打印来创建各种形状的塑料模型壳——主要是改变高度，以便弯曲的卵形形状变得更长或更短，而基圆半径保持不变。
然后，雷斯和拉扎勒斯测量了变化的形状如何改变壳在受到戳刺时的刚度。 雷斯说，即使在五年前，这种实验也会非常昂贵且耗时，需要去麻省理工学院的金属加工车间。
他们还改变了壳内的压力，注入相当于小型自行车泵的空气，以观察这如何改变机械性能，从零气压到雷斯所说的“气球模式”。 这类似于腐烂鸡蛋内部产生的气体压力。 正因为如此，该模型也适用于病毒衣壳的研究。 生物学家研究细胞（包括病毒）的一种方法是用原子力显微镜 (AFM) 戳刺包裹膜，并测量来自微小施加力的反作用力。 这揭示了诸如刚度之类的特性——这正是雷斯和拉扎勒斯感兴趣建模的内容。
因此，即使蛋壳是雷斯灵感的来源，这不仅仅是关于敲开鸡蛋或不敲开鸡蛋的最佳方法。 “我们的发现是普遍适用的，它们基于几何学，这使得我们的[模型]在广泛的尺度范围内都具有相关性，”雷斯说，从蛋壳到建筑穹顶再到生物细胞。 例如，麻省理工学院的标志性建筑之一就拥有一个薄壳穹顶。 虽然该模型对于确定穹顶在破裂前可以承受多少降雪（一种分布式载荷，类似于如履薄冰）没有用，但它可以确定该结构是否可以支撑直升机在杆子上着陆（一个负载集中的特定点，类似于敲碎蛋壳）。
文章中也没有空间讨论第二篇与蛋壳相关的论文。 当雷斯和拉扎勒斯完成他们自己的投稿时，他们发现另一个由牛津大学数学家多米尼克·维拉领导的研究团队，专注于整个被称为卵形的形状类别。
维拉等人从互补的角度处理了这个问题，通过计算机建模构建了一个理想化的蛋壳，并进行了多次模拟，改变了形状、壳材料和内部压力。 “我们试图在数学上更多地基于我们已知的控制弹性壳的方程，”维拉告诉Inside Science News Service。
这里还有一个最后一个显而易见的问题：我们不是已经对蛋壳的机械性能了解很多了吗？ 嗯，当然，特别是考虑到 1950 年代和 1960 年代航空航天工业完成的所有工作，以及随之而来的便捷计算工具。 “你可以绘制飞机模型设计，然后使用黑匣子工具来计算所有应力，”雷斯说。 “但是，每次你想获得关于特定结构的答案时，你都必须进行计算，这可能会非常昂贵。 使用我们的公式，你可以戳一下壳并测量力，如果你知道材料是由什么制成的，并且……戳刺点周围的局部曲率，我们可以告诉你你压入的特定点的厚度，而无需进行任何复杂的计算。”
我们都致力于避免复杂的计算，显然，雷斯也是如此：“这就是物理学的全部意义，试图提出复杂事物的简单模型。”
图片：（顶部）1954 年比利·怀尔德执导的电影《萨布丽娜》的剧照。（中间）多种形状的塑料卵形体。 鸣谢：阿诺·拉扎勒斯和佩德罗·雷斯（麻省理工学院）。（底部）多种颜色的蛋壳。 用户：Hustvedt。 维基共享资源。
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